Elektrotechnika podstawowa 109
ROZDZIAŁ 6
E l e m e n t y o b w o d ó w p r ą d u s i n u s o i d a l n e g o
Wielkości i obrazujące je przebiegi czasowe można klasyfikować ze względu na określone cechy i wskaźniki, używając nazw związanych z charakterem zmienności. Wielkości sinusoidalne zalicza się do wielkości okresowych przemiennych.
Sinusoidalne przebiegi prądu i napięcia w dwójniku liniowym mogą mieć różne fazy początkowe, tzn. być względem siebie przesunięte, co jest zależne od charakteru i sposobu połączenia elemen- tów wchodzących w skład dwójnika. Związane są z tym pojęcia: przesunięcia fazowego, współ- czynnika mocy i mocy czynnej dwójnika. Inne ważne wielkości to: reaktancja, impedancja, suscep- tancja, admitancja, moc bierna i moc pozorna.
W liniowych obwodach elektrycznych mogą występować zjawiska rezonansowe, stwarzające nie- bezpieczeństwo przepięć lub przetężeń.
Związki czasowe i amplitudowe między przebiegami o tej samej pulsacji (synchronicznymi) przed- stawiane są geometrycznie za pomocą wykresów wskazowych. Korzystając z metody symbolicznej formułuje się te zależności w sposób analityczny.
Metody rozwiązywania obwodów rozgałęzionych prądu stałego oraz sinusoidalnego różnią się prak- tycznie tylko tym, że w wypadku pierwszych wykonuje się obliczenia na liczbach rzeczywistych, a w wypadku drugich – na liczbach zespolonych. Bilans mocy obwodu sinusoidalnego dotyczy mocy zespolonej, tj. mocy czynnej i mocy biernej.
Oznaczenia wielkości występujących w rozdziale 6 B susceptancja
BC susceptancja pojemnościowa BC susceptancja indukcyjna
ϕ
cos współczynnik mocy C pojemność elektryczna e napięcie źródłowe
E wartość skuteczna sinusoidalnego napięcia źródłowego
E wskaz napięcia źródłowego; wartość symboliczna (skuteczna zespolona) napięcia źródłowego
f częstotliwość
frez częstotliwość rezonansowa G konduktancja
i prąd
i(t) przebieg czasowy prądu
imax wartość szczytowa prądu
ih % współczynnik odkształcenia prądu kk współczynnik kształtu
ksz współczynnik szczytu
I wartość skuteczna prądu okresowe- go
Ib składowa bierna prądu Icz składowa czynna prądu
Im amplituda prądu sinusoidalnego Iśr wartość średnia półokresowa I0 wartość średnia prądu okresowego
I wartość wyprostowana prądu
I wskaz prądu; wartość symboliczna (skuteczna zespolona) prądu
I moduł I (długość wskazu równa I) Im wskaz nieruchomy (początkowy)
amplitudy prądu
Imt wskaz wirujący amplitudy prądu Iźr wskaz prądu źródłowego; wartość
symboliczna (skuteczna zespolona) prądu źródłowego
Io wartość symboliczna prądu oczko- wego
j liczba urojona; operator obrotu wskazu
L indukcyjność własna M indukcyjność wzajemna p moc chwilowa
P moc średnia w obwodzie prądu okresowego; moc czynna
Pgen moc czynna „generatorowa”
Podb moc czynna „odbiornikowa”
PW wskazanie watomierza q ładunek elektryczny Q moc bierna
Qgen moc bierna „generatorowa”
Qodb moc bierna „odbiornikowa”
R rezystancja S moc pozorna S moc zespolona
Sgen moc zespolona „generatorowa”
Sodb moc zespolona „odbiornikowa”
t czas
T okres (podstawowy) przebiegu u napięcie
u(t) przebieg czasowy wielkości U; przebieg czasowy napięcia
umax wartość szczytowa napięcia
uh % współczynnik odkształcenia napięcia U wielkość; wartość skuteczna napięcia
okresowego
Ub składowa bierna napięcia Ucz składowa czynna napięcia
Um amplituda napięcia sinusoidalnego
Um (k) amplituda k-tej harmonicznej przebiegu okresowego u(t)
Uśr wartość średnia półokresowa napięcia okresowego
U0 wartość średnia przebiegu okresowego u(t); wartość średnia napięcia
U wartość wyprostowana napięcia
U wskaz napięcia; wartość symboliczna (skuteczna zespolona) napięcia
U moduł U (długość wskazu równa U) Um wskaz nieruchomy (początkowy) amplitu-
dy napięcia
Umt wskaz wirujący amplitudy napięcia U0 wartość symboliczna napięcia źródła za-
stępczego
W energia elektryczna X reaktancja
XC reaktancja pojemnościowa XL reaktancja indukcyjna własna XM reaktancja indukcyjna wzajemna Y admitancja
Y admitancja zespolona Z impedancja
Z impedancja zespolona Zw impedancja zespolona źródła ϕ kąt przesunięcia fazowego
ψ faza początkowa (początkowy kąt fazowy) przebiegu sinusoidalnego
ρrez impedancja charakterystyczna (falowa) obwodu rezonansowego
ω pulsacja przebiegu sinusoidalnego ωrez pulsacja rezonansowa
ω0 „wzorcowa” pulsacja rezonansowa
Literatura do rozdziału 6 [1], [2], [4], [7], [9]
6. Elementy obwodów prądu sinusoidalnego 111
Wykład XIII. PRZEBIEGI WIELKOŚCI ZMIENNYCH W CZASIE.
ELEMENTY R, C, L i M PRZY PRĄDZIE SINUSOIDALNYM
Klasyfikacja przebiegów zmiennych w czasie
Wielkość U, określoną w przedziale czasu (t0, tn), charakteryzuje przebieg czasowy u(t) o warto- ściach chwilowych: u(t0), u(t1), ... , u(tn).
Przebieg u(t) spełnia warunek okresowości w przedziale czasu (0, ∞), jeśli:
) ( ) (t kT u t
u + = dla t ≥ 0, k = 1, 2, ... , ∞ , (6.1) przy czym najmniejsza liczba T spełniająca ten warunek nazywa się okresem (podstawowym) prze- biegu, a jej odwrotność
f = – częstotliwością przebiegu. T1
Ze względu na spełnienie warunku okresowości wyróżnia się wielkości (przebiegi) zmienne okre- sowe (przykład na rys. a) i nieokresowe (przykład na rys. b):
a) b)
Wartość średnia za okres T przebiegu u(t) wielkości okresowej U, to jej wartość średnia:
∫
+
=
=
T t
t
dt t T u t u U
0
0
) 1 ( )
0 ( . (6.2) Wielkość okresowa, której wartość średnia jest równa zeru, nosi nazwę przemiennej (przykład na rys. c)., zaś której wartość średnia jest różna od zera – pulsującej lub tętniącej (przykład na rys. d):
c) d)
Wielkość okresowa U nazywa się sinusoidalną (harmoniczną), jeśli jej przebieg czasowy można przedstawić jako funkcję sinusoidalną (rys. poniżej):
) sin(
)
(t Um t u
u = ⋅ ω +ψ , (6.3a)
przy czym f
Tπ π
ω = 2 =2 , (6.3b) gdzie: Um – amplituda,
ψu – faza początkowa (początkowy kąt fazowy), ω – pulsacja,
(ωt + ψu) – faza (kąt fazowy) przebiegu w chwili t.
Przebiegi sinusoidalne o tej samej pulsacji (częstotliwości) – to przebiegi synchroniczne.
W ogólnym przypadku, fazy początkowe przebiegów synchronicznych są różne.
Prądy i napięcia o przebiegach okresowych niesinusoidalnych – to prądy i napięcia odkształcone.
u
t
T 2T
0
u
t 0
U0
T 2T
u
t
T 2T
0
u
t 0
u
ωt
π 2π
0 Um
-ψu
Składniki przebiegu okresowego
Każdy przebieg okresowy, który nie jest sinusoidalny, można przedstawić w postaci szeregu Fouriera jako sumę wartości średniej (składowej stałej) i przebiegów harmonicznych (składowej przemiennej):
∑
∞=
+
⋅ +
=
1
) ( )
(
0 sin( )
) (
k
k u k
m k t
U U
t
u ω ψ , (6.4) gdzie: U0 – wartość średnia przebiegu,
Um (k) – amplituda k-tej harmonicznej przebiegu,
ψu (k) – faza początkowa (początkowy kąt fazowy) k-tej harmonicznej przebiegu.
Zachodzi przy tym następująca zależność (równość Parsevala):
∑
∞=
+
=
1 2
) ( 2
0 2
2 ) 1
(
k k
Um
U t
u . (6.5) Przykład. Na rys. obok pokazano prze-
biegi przemienne niesinusoidalne I i II, złożone z pierwszej i trzeciej harmo- nicznej – o amplitudach i fazach początkowych:
Um (1) =Um.I (1) =Um.II (1) , Um (3) =Um.I (3) =Um.II (3) , Um (3) =0,2 Um (1) ;
ψu.I (1) =ψu.II (1) =0°, ψu.I (3) =–60°, ψu.II (3) =90°.
Wartości średnie prądu i napięcia okresowego
Zgodnie ze wzorem ogólnym, wartości średnie (całookresowe) prądu i napięcia okresowego wyno- szą:
∫
= Ti t dt I T
0
0 1 ( )
, U =T T
∫
u t dt0
0 1 ( )
(6.6a, b) (inne oznaczenia: i(t), Iśr.c ; u(t), Uśr.c ).
Jeśli wartość średnia I0 lub U0 jest równa 0, to prąd i(t) lub napięcie u(t) jest przemiennym.
Prądy i napięcia przemienne są często utożsamiane z sinusoidalnymi – głównie, gdy przedmiotem zainteresowania są pierwsze harmoniczne przebiegów odkształconych. Ma to związek z określo- nymi dalej współczynnikami sinusoidalności prądu i napięcia przemiennego. Warto zatem zwracać uwagę na poprawne stosowanie terminów: przemienny i sinusoidalny.
Moc średnia i energia w obwodzie prądu okresowego
Moc średnia (wartość średnia mocy) w obwodzie prądu okresowego wynosi
∫
∫
==
T T
dt i T u dt T p P
0 0
1
1 , (6.7)
a więc energia elektryczna w czasie jednego okresu równa się T
P dt p W
T
T =
∫
= ⋅0
, (6.8a) zaś w czasie t>>T (będącym wielokrotnością T) – wyraża się tak samo jak przy prądzie stałym:
t P
W = ⋅ . (6.8b)
-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5
0 60 120 180 240 300 360
u Um (1)
ωt
0° ° ° ° ° ° °
I II
6. Elementy obwodów prądu sinusoidalnego 113
Wartości skuteczne prądu i napięcia okresowego
Zgodnie z prawem Joule’a, energia wydzielająca się w rezystancji R (konduktancji G = 1/R) w przedziale czasu (t1, t2) wynosi
∫
∫
⋅ = ⋅= 2
1 2
1
2 2
t
t G t
t
Rdt G u dt
i R
W , (6.9) zatem – ze względu na ciepło wydzielane w tej samej rezystancji (konduktancji), w czasie jednego okresu prądu lub napięcia – równoważnymi prądowi okresowemu i(t) i napięciu okresowemu u(t) są prąd stały i napięcie stałe o takich wartościach I i U , że:
∫
∫
⋅ =T ⋅T
dt i R dt I R
0 2 0
2 , T
∫
G⋅U dt =T∫
G⋅u dt0 2 0
2 ,
czyli I = TT
∫
i dt0
1 2
, U = TT
∫
u dt0
1 2
. (6.10a, b) Określone wyżej wartości I i U (inne oznaczenia: Isk ; Usk ) noszą miano wartości skutecznych przebiegów okresowych i(t) i u(t).
Wartości wyprostowane prądu i napięcia okresowego
Wartości średnie wyprostowanych całofalowo przebiegów prądu lub napięcia okresowego – to war- tości wyprostowane I i U (inne oznaczenia: i(t) , u(t) ):
dt T i I
T
∫
=
0
1 , u dt
U T
T
∫
=
0
1 . (6.11a, b)
Gdy przebiegi: i(t), u(t), są funkcjami antysymetrycznymi (przemiennymi symetrycznymi), tj. speł- niającymi warunki: i(t)=0 i i(t+T 2)=−i(t), u(t)=0 i u(t+T 2)=−u(t), to wartości wypro- stowane I , U są równe wartościom średnim półokresowym Iśr , Uśr :
dt T i I
T
śr =
∫
2
0
2 , u dt
U T
T
śr =
∫
2
0
2 . (6.12a, b)
Współczynniki szczytu oraz kształtu prądu i napięcia okresowego
Stosunki największych wartości bezwzględnych (szczytowych) prądu lub napięcia: imax , umax , do odpowiednich wartości skutecznych: I, U, nazywają się współczynnikami szczytu prądu lub na- pięcia okresowego:
I
ksz.i = imax ,
U
ksz.u = umax . (6.13a, b)
Stosunki wartości skutecznych: I, U, do wartości wyprostowanych: I , U, noszą nazwy współczyn- ników kształtu prądu lub napięcia okresowego:
I
kk.i = I ,
U
kk.u =U . (6.14a, b)
Współczynniki szczytu oraz kształtu prądu i napięcia sinusoidalnego
Przebiegi sinusoidalne prądu i napięcia zapisuje się jako funkcje czasu t lub kąta ωt: i(t)≡i(ωt)= Im⋅sin(ωt+ψi), u(t)≡u(ωt)=Um⋅sin(ωt+ψu). Ich wartości skuteczne oraz wartości wyprostowane (średnie półokresowe) wynoszą:2 Im
I = ,
2 Um
U = ,
πm
śr
I I
I 2
=
= ,
πm
śr
U U
U 2
=
= ,
zatem współczynniki szczytu i kształtu mają wartości:
41 , 1
(sin) = 2 ≅
ksz , 1,11
2
(sin) = 2π ≅
kk . (6.15a, b) Uwzględniając wzór (6.15a), przebiegi sinusoidalne prądu i napięcia zapisuje się zwykle w postaci:
) sin(
2 )
(t I t i
i = ⋅ ω +ψ , u(t)=U 2⋅sin(ωt+ψu). (6.16a, b)
Współczynniki sinusoidalności prądu i napięcia przemiennego
Za miary sinusoidalności prądu i napięcia przemiennego można uważać procentowe wartości sto- sunków ich współczynników szczytu ksz oraz kształtu kk , do wartości – odpowiednio – współczyn- ników szczytu lub kształtu przebiegu sinusoidalnego:
i sz i
sz
sz k k
i %sin . 100 70,7 .
2 ⋅ ≅ ⋅
= , sz kszu kszu
u %sin . 100 70,7 .
2 ⋅ ≅ ⋅
= , (6.17a, b)
i k i
k
k k k
i %sin =2 2 . ⋅100≅90⋅ .
π , k ku kku
u %sin =2 2k . ⋅100≅90⋅ .
π . (6.18a, b) Innymi miarami sinusoidalności prądu i napięcia przemiennego są stosunki wartości skutecznych ich pierwszych harmonicznych ( I (1) , U (1) ) do ich wartości skutecznych ( I , U ), wyrażone w pro- centach:
) 100
1 ( )%
1
( = ⋅
I
i I , (1)% = (1) ⋅100 U
u U . (6.19a, b)
Współczynniki udziału wyższych harmonicznych prądu i napięcia przemiennego
Procentowe wartości stosunków wartości skutecznej j-tej wyższej harmonicznej ( j>1) prądu lub napięcia przemiennego ( I (j) , U (j) ), do wartości skutecznej jego pierwszej harmonicznej ( I (1) , U (1) ) lub do jego wartości skutecznej ( I , U ), to dwa typy współczynników udziału j-tej harmonicznej:
100
) 1 (
) ( ) 1 )%(
( = ⋅
I
i j I j , 100
) 1 (
) ( ) 1 )%(
( = ⋅
U
u j U j , (6.20a, b)
) 100
( )%
( = ⋅
I
i j I j , ( )% = ( ) ⋅100 U
u j U j . (6.21a, b)
Odstępstwo przebiegów przemiennych od idealnie sinusoidalnych wyrażane jest przez dwa typy współczynników zawartości harmonicznych (w procentach), określanych umownie jako:
- współczynniki zniekształceń harmonicznych
∑
∞=
=
− ⋅
=
2 ) 1 )%(
( )
1 (
2 ) 1 ( 2 ) 1
%( 100
j j
h i
I I I
i ,
∑
∞=
=
− ⋅
=
2 ) 1 )%(
( )
1 (
2 ) 1 ( 2 )
1
%( 100
j j
h u
U U U
u , (6.22a, b)
- współczynniki odkształcenia
∑
∞=
=
− ⋅
=
2 2
)%
( 2
) 1 ( 2
% 100
j j
h i
I I I
i ,
∑
∞=
=
− ⋅
=
2 2
)%
( 2
) 1 ( 2
% 100
j j
h u
U U U
u . (6.23a, b)
Występuje duża różnorodność stosowanych w praktyce miar odkształcenia przebiegów (różnice dotyczą skończonej szerokości pasma harmonicznych oraz występowania we wskaźniku tylko nie- których składników, np. harmonicznych parzystych bądź nieparzystych). Podane wyżej symbole współczynników: i(j) % (1) , u(j) % (1) , i(j) % , u(j) % , ih % (1) , uh % (1) , ih % , uh % , nie są powszechnie obowiązujące. W literaturze oraz w normach podawane są różne wskaźniki i używane różne ozna- czenia, np. ih % (1) i uh % (1) odpowiada w normach symbol THD (Total Harmonic Distortion), a ih %
i uh % – THF (Total Harmonic Factor).
6. Elementy obwodów prądu sinusoidalnego 115
Wielkości charakteryzujące dwójnik liniowy przy prądzie sinusoidalnym
Dwójnik liniowy (rys. obok) składa się z pasywnych elementów li- niowych R, C, L, M, oraz aktywnych elementów idealnych e, iźr o pul- sacji takiej samej jak źródła zewnętrzne. Struktura połączeń elemen- tów nie ma w tej chwili znaczenia. Przyjęto odbiornikowe strzałkowa- nie prądu i napięcia, tzn. z założenia dwójnik jest odbiornikiem.
Przebiegi sinusoidalne prądu i napięcia dwójnika zapisuje się w „wygodniejszej” postaci (6.16a, b):
) sin(
2 )
(t I t i
i = ⋅ ω +ψ , u(t)=U 2⋅sin(ωt+ψu).
Różnicę faz początkowych przebiegów synchronicznych u(t) i i(t) dwójnika określa się jako kąt przesunięcia fazowego, krótko: przesunięcie fazowe dwójnika (rys. poniżej):
i
u ψ
ψ
ϕ = − . (6.24)
Moc chwilowa dwójnika wynosi
) 2
cos(
cos )
sin(
2 ) sin(
2 ) ( ) ( )
(t u t i t U t u I t i U I U I t u i
p = ⋅ = ω +ψ ⋅ ω +ψ = ϕ − ω +ψ +ψ .
Składnik stały mocy chwilowej (moc średnia) nosi nazwę mocy czynnej ϕ
cos I U
P= , (6.25) a wielkość cosϕ określa się jako współczynnik mocy dwójnika (odbiornika).
Składnik zmienny mocy chwilowej, równy −U Icos(2ωt+ψu +ψi), nazywa się mocą oscylacy- ną. Moc chwilowa oscyluje z podwójną częstotliwością wokół wartości mocy czynnej.
Moc czynną dwójnika (odbiornika) mierzy się watomie- rzem, włączanym do obwodu w sposób pokazany obok na rysunku. Początki cewek (prądowej i napięciowej) wato- mierza zaznacza się na schemacie kropkami. Jeśli początki cewek znajdują się po tych stronach symbolu „W w kole”, jak zaznaczono je na rysunku, to zwyczajowo kropki się pomija. Moc zmierzona watomierzem w pokazanym ukła- dzie jest równa mocy czynnej dwójnika: PW = P .
Elementy R, C, L, M w obwodzie prądu sinusoidalnego
1. Rezystancja R (konduktancja G) i
R
u= ⋅ , i=G⋅u, p=u⋅i=R⋅i2 =G⋅u2≥0; )
sin(
2 )
(t I t i
i = ⋅ ω +ψ , u(t)=U 2⋅sin(ωt+ψu);
) sin(
2 t i
I R i R
u= ⋅ = ⋅ ⋅ ω +ψ (6.26)
⇒ U =R⋅I, ψu =ψi ⇒ ϕ =0 ⇒ cosϕ =1; P=U⋅I =R⋅I2 =G⋅U2 . Odb.
W Odb.
i
u
i R, G u u, i, p
u i
p
ω t
ϕ ψi ψu
0 U I
P
2. Pojemność C dt
i= dq , q=C⋅u ; ) sin(
2 )
(t I t i
i = ⋅ ω +ψ , u(t)=U 2⋅sin(ωt+ψu);
) 2 sin(
2 )
cos(
2 ω ψ ω ω ψ π
ω ⋅ ⋅ + = ⋅ ⋅ + +
=
⋅
= C U t u C U t u
dt C du
i (6.27)
⇒ I = ωC⋅U, ψi =ψu+π 2 ⇒
2
ϕ =−π ⇒ cosϕ =0 ⇒ P=0;
I X C I
U = 1 ⋅ = C⋅
ω , XC 1C
=ω (reaktancja pojemnościowa). (6.28a, b) 3. Indukcyjność własna L
dt u= dΨ
, Ψ =L⋅i ; ) sin(
2 )
(t I t i
i = ⋅ ω +ψ , u(t)=U 2⋅sin(ωt+ψu);
) 2 sin(
2 )
cos(
2 ω ψ ω ω ψ π
ω ⋅ ⋅ + = ⋅ ⋅ + +
=
⋅
= L I t i L I t i
dt L di
u (6.29)
⇒ U = ωL⋅I, ψu =ψi +π 2 ⇒ 2
ϕ = ⇒ π cosϕ =0 ⇒ P=0;
I X I L
U = ω ⋅ = L⋅ , XL =ωL (reaktancja indukcyjna własna). (6.30a, b) 4. Indukcyjność wzajemna L12 = L21 = M :
a) sprzężenie dodatnie
dt u1M = dΨ12
, Ψ12 =L12⋅i2 =M⋅i2 ; )
sin(
2 2
2
2 I t i
i = ⋅ ω +ψ , u1M =U1M 2⋅sin(ω +t ψu1M);
) 2 sin(
2 )
cos(
2 2 2 2
2 2
1M = ⋅ =ωM ⋅I ⋅ ωt+ψi =ωM⋅I ⋅ ωt+ψi +π
dt M di
u (6.31a)
⇒ U1M = ωM⋅I2, ψu1M =ψi2+π 2 ;
dt u2M = dΨ21
, Ψ21 =M⋅i1 ; )
sin(
2 1
1
1 I t i
i = ⋅ ω +ψ , u2M =U2M 2⋅sin(ω +t ψu2M);
) 2 sin(
2 )
cos(
2 1 1 1
1 1
2M = ⋅ =ωM⋅I ⋅ ωt+ψi =ωM⋅I ⋅ ωt+ψi +π
dt M di
u (6.31b)
⇒ U2M = ωM⋅I1, ψu2M =ψi1+π 2 ;
2 2
1 M I X I
U M = ω ⋅ = M ⋅ , U2M =ωM⋅I1= XM ⋅I1 , (6.32a, b) M
XM =ω (reaktancja indukcyjna wzajemna). (6.33) Moce czynne przenoszone między cewkami
(p1M – z cewki 2. do 1.; p2M – z cewki 1. do 2.):
) sin(
... 1 2 1 2
1 1
1M u M i XM I I i i
p = ⋅ = = ⋅ ⋅ ⋅ ψ −ψ ;
) sin(
... 1 2 2 1
2 2
2M u M i XM I I i i
p = ⋅ = = ⋅ ⋅ ⋅ ψ −ψ
⇒ warunki przenoszenia mocy czynnej:
ψ ≠i1 ψi2 i ψi1 ≠ψi2mπ .
b) sprzężenie ujemne – we wzorach dla sprzężenia dodatniego: –M zamiast M (–XM zamiast XM ).
i C u
i L u
L12 = M u1M
i2
L1 M L2
i1 i2
u2L +u2M u1L +u1M
L21 = M u2M i1